第5章 嵌入式系统输入输出设备接口

第5章嵌入式系统输入／输出设备接口5.1GPIO（通用输入/输出接口）5.1.1GPIO原理与结构GPIO（GeneralPurposeI/O，通用输入/输出接口）也称为并行I/O（parallelI/O），是最基本的I/O形式，由一组输入引脚、输出引脚或输入/输出引脚组成，CPU对它们能够进行存取操作。有些GPIO引脚能够通过软件编程改变输入/输出方向。一个双向GPIO端口（D0）的简化功能逻辑图如图5.1.1所示，图中PORT为数据寄存器和DDR（DataDirectionRegister）为数据方向寄存器。图5.1.1双向GPIO功能逻辑图DDR设置端口的方向。如果DDR的输出为1，则GPIO端口为输出形式；如果DDR的输出为零，则GPIO端口为输入形式。写入WR—DDR信号能够改变DDR的输出状态。DDR在微控制器地址空间中是一个映射单元。这种情况下，如果需要改变DDR，则需要将恰当的值置于数据总线的第0位（即D0），同时激活WR—DDR信号。读DDR，就能得到DDR的状态，同时激活RD—DDR信号。如果设置PORT引脚端为输出，则PORT寄存器控制着该引脚端状态。如果将PORT引脚端设置为输入，则此输入引脚端的状态由引脚端上的逻辑电路层来实现对它的控制。对PORT寄存器的写操作，需要激活WR—PORT信号。PORT寄存器也映射到微控制器的地址空间。需指出，即使当端口设置为输入时，如果对PORT寄存器进行写操作，并不会对该引脚产生影响。但从PORT寄存器的读出，不管端口是什么方向，总会影响该引脚端的状态。5.1.2S3C2410A输入／输出端口编程实例S3C2410A共有117个多功能复用输入／输出端口（I/O口），分为端口A～端口H共8组。为了满足不同系统设计的需要，每个I/O口可以很容易地通过软件对进行配置。每个引脚的功能必须在启动主程序之前进行定义。如果一个引脚没有使用复用功能，那么它可以配置为I/O口。注意：端口A除了作为功能口外，只能够作为输出口使用。在S3C2410A中，大多数的引脚端都是复用的，所以对于每一个引脚端都需要定义其功能。为了使用I/O口，首先需要定义引脚的功能。每个引脚端的功能通过端口控制寄存器（PnCON）来定义（配置）。与配置I/O口相关的寄存器包括：端口控制寄存器（GPACON～GPHCON）、端口数据寄存器（GPADAT～GPHDAT）、端口上拉寄存器（GPBUP～GPHUP）、杂项控制寄存器以及外部中断控制寄存器（EXTINTN）等。S3C2410A的I/O口配置情况请参考第3章如表3.4.1～3.4.7所列。下面介绍一个通过G口的控制发光二极管LED1和LED2轮流闪烁I/O口编程实例[徐英慧]。对I/O口的操作是通过对相关各个寄存器的读／写实现的。要对寄存器进行读／写操作，首先要对寄存器进行定义。有关I/O口相关寄存器的宏定义代码如下：//PortA控制寄存器#definerGPACON（*（volatileunsigned*）0x56000000）//PortA数据寄存器#definerGPADAT（*（volati1eunsigned*）0x56000004）//PortB控制寄存器#definerGPBCON（*（volatileunsigned*）0x56000010）//PortB数据寄存器#definerGPBDAT（*（volatileunsigned*）0x56000014）//PortB上拉电阻禁止寄存器#definerGPBUP（*（volatileunsigned*）0x56000018）//PortC控制寄存器#definerGPCCON（*（volatileunsigned*）0x56000020）//PortC数据寄存器#definerGPCDAT（*（volatileunsigned*）0x56000024）//PortC上拉电阻禁止寄存器#definerGPCUP（*（volatileunsigned*）0x56000028）//PortD控制寄存器#definerGPDCON（*（volatileunsigned*）0x56000030）//PortD数据寄存器#definerGPDDAT（*（volatileunsigned*）0x56000034）//PortD上拉电阻禁止寄存器#definerGPDUP（*（volatileunsigned*）0x56000038）//PortE控制寄存器#definerGPECON（*（volatileunsigned*）0x56000040）//PortE数据寄存器#definerGPEDAT（*（volatileunsigned*）0x56000044）//PortE上拉电阻禁止寄存器#definerGPEUP（*（volatileunsigned*）0x56000048）//PortF控制寄存器#definerGPFCON（*（volatileunsigned*）0x56000050）//PortF数据寄存器#definerGPFDAT（*（volatileunsigned*）0x56000054）//PortF上拉电阻禁止寄存器#definerGPFUP（*（volatileunsigned*）0x56000058）//PortG控制寄存器#definerGPGCON（*（volati1eunsigned*）0x56000060）//PortG数据寄存器#definerGPGDAT（*（volatileunsigned*）0x56000064）//PortG上拉电阻禁止寄存器#definerGPGUP（*（volatileunsigned*）0x56000068）//PortH控制寄存器#definerGPHCON（*（volatileunsigned*）0x56000070）//PortH数据寄存器#definerGPHDAT（*（volatileunsigned*）0x56000074）//PortH上拉电阻禁止寄存器#definerGPHUP（*（volatileunsigned*）0x56000078）要想实现对G口的配置，只要在地址0x56000060中给32位的每一位赋值就可以了。如果G口的某个引脚被配置为输出引脚，在PDATG对应的地址位写入1时，该引脚输出高电平；写入0时该引脚输出低电平。如果该引脚被配置为功能引脚，则该引脚作为相应的功能引脚使用。下面是实现LED1和LED2轮流闪烁的程序代码。voidMain（void）｛intflag，i；TargetInit（）；//进行硬件初始化操作，包括对I／O口的初始化操作for（；；）｛if（flag==0）｛for（i=0；i1000000；i++）；//延时rGPGCON＝rGPGCON＆0xfff0ffff|0x00050000；//配置第8、第//9位为输出引脚rGPGDAT＝rGPGDAT＆0xeff|0x200；//第8位输出为低电平//第9位输出高电平for（i=0；i10000000；i++）；//延时flag=1；｝else｛for（i=0；i1000000；i++）；//延时rGPGCON＝rGPGCON＆0xfff0ffff（0x00050000；//配置第8、//第9位为输出引脚rGPGDAT＝rGPGDAT＆Oxdff|0x100；//第8位输出为高电平//第9位输出低电平for（i=0；i1000000；i++）；//延时flag=0；｝｝｝5.2A/D转换器接口5.2.1A/D（模／数）转换的方法和原理A/D转换器（模／数转换器）完成电模拟量到数字量的转换。实现A/D转换的方法很多，常用的方法有计数法、双积分法和逐次逼近法等。1．计数式A/D转换器原理计数式A/D转换器结构如图5.2.1所示。其中，Vi是模拟输入电压，VO是D/A转换器的输出电压，C是控制计数端，当C=1（高电平）时，计数器开始计数，C=0（低电平）时，则停止计数。D7～D0是数字量输出，数字输出量同时驱动一个D/A转换器。图5.2.1计数式A/D转换器结构计数式A/D转换器的转换过程如下：①首先/CLR（开始转换信号）有效（由高电平变成低电平），使计数器复位，计数器输出数字信号为00000000，这个00000000的输出送至8位D/A转换器，8位D/A转换器也输出0V模拟信号。②当/CLR恢复为高电平时．计数器准备计数。此时，在比较器输入端上待转换的模拟输入电压Vi大于VO（0V），比较器输出高电平，使计数控制信号C为1。这样，计数器开始计数。③从此计数器的输出不断增加，D/A转换器输入端得到的数字量也不断增加，致使输出电压VO不断上升。在VO＜Vi时，比较器的输出总是保持高电平，计数器不断地计数。④当VO上升到某值时，出现VOVi的情况时，此时，比较器的输出为低电平，使计数控制信号C为0，计数器停止计数。这时候数字输出量D7～D0就是与模拟电压等效的数字量。计数控制信号由高变低的负跳变也是A/D转换的结束信号，表示已完成一次A/D转换。计数式A/D转换器结构简单，但转换速度较慢。2．双积分式A/D转换器原理双积分式A/D转换器对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，将电压变换成与其成正比的时间间隔，利用时钟脉冲和计数器测出其时间间隔，完成A/D转换。双积分式A/D转换器主要包括积分器、比较器、计数器和标准电压源等部件，其电路结构图如图5.2.2（a）所示。双积分式A/D转换器的转换过程如下：首先对输入待测的模拟电压Vi进行固定时间的积分；然后转换到标准电压VR进行固定斜率的反向积分（定值积分），如图5.2.2（b）所示。反向积分进行到一定时间，便返回起始值。从图5.2.2（b）中可看出对标准电压VR进行反向积分的时间T2正比于输入模拟电压，输入模拟电压越大，反向积分回到起始值的时间T越长，有Vi＝（T2/T1）VR。用标准时钟脉冲测定反向积分时间（如计数器），就可以得到对应于输入模拟电压的数字量，实现A/D转换。双积分式A/D转换器具有很强的抗工频干扰能力，转换精度高，但速度较慢。图5.2.2（a）双积分式A/D转换器电路结构图双积分式A/D转换图图5.2.2（b）积分输出波形3．逐次逼近式A/D转换器原理逐次逼近式A/D转换器电路结构如图5.2.3所示，其工作过程可与天平称重物类比，图中的电压比较器相当于天平，被测电压Ux相当于重物，基准电压Ur相当于电压法码。该方案具有各种规格的按8421编码的二进制电压法码Ur，根据UxUr和UxUr，比较器有不同的输出以打开或关闭逐次逼近寄存器的各位。输出从大到小的基准电压法码，与被测电压Ux比较，并逐渐减小其差值，使之逼近平衡。当Ux=Ur时，比较器输出为零，相当于天平平衡，最后以数字显示的平衡值即为被测电压值。逐次逼近式A/D转换器转换速度快，转换精度较高，对N位A/D转换只需N个时钟脉冲即可完成，可用于测量微秒级的过渡过程的变化，是在计算机系统中采用最多的一种A/D转换方法。图5.2.3逐次逼近式A/D转换器电路结构4．A/D转换器的主要指标（1）分辨率（Resolution）分辨率用来反映A/D转换器对输入电压微小变化的响应能力，通常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。n位A/D转换能反应1/2n满量程的模拟输入电平。分辨率直接与转换器的位数有关，一般也可简单地用数字量的位数来表示分辨率，即n位二进制数，最低位所具有的权值，就是它的分辨率。值得注意的是，分辨率与精度是两个不同的概念，不要把两者相混淆。即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性度等原因，而使其精度不够高。（2）精度（Accuracy）精度有绝对精度（AbsoluteAccuracy）和相对精度（RelativeAccuracy）两种表示方法。①绝对精度：在一个转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入